Pré - Relatório Viscosidade de líquidos

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Universidade Estadual de Maringá - UEM
Centro de Ciências Exatas - CCE
Departamento de Química - DQI
Pré-Relatório 
Viscosidade de líquidos
Acadêmicos: 
Docente: Prof. Dr. Wilker Caetano 
Curso: Química - Bacharelado
Disciplina: Físico-Química Experimental I - Turma 03
 Maringá – 2021
1. INTRODUÇÃO
1.1) Fluxo, viscosidade e unidades.
Viscosidade é uma característica dos líquidos que está relacionada com a sua
habilidade de fluir. Quanto maior a viscosidade de um líquido (ou de uma solução)
mais difícil o líquido flui e diz ser ele “viscoso”.
A viscosidade é uma propriedade inerente do líquido devido à sua relação profunda
com as forças intermoleculares. Quanto maiores estas forças, mais as moléculas
permanecem unidas, não as permitindo fluir com facilidade.
Unidades
A viscosidade dinâmica η (η= "Eta") é uma medida para a tenacidade ou
viscosidade de um fluido (Fluido: substância líquida, fluente).
Quanto maior for a viscosidade, mais espesso (menos fluente) será o fluido; quanto
menor for a viscosidade, mais fluente (fluidez) será o fluido.
Unidade SI da viscosidade dinâmica: [η] = Pascal-segundo (Pa*s) = N*s/m² =
kg/m*s.
Fluxo
Para o fluxo da viscosidade de acordo com os tipos de fluxo e/ou deformação, os
sistemas podem ser classificados como newtonianos ou não-newtonianos
Sistemas Newtonianos é quando é aplicada uma força sobre a superfície de um
corpo (líquido, sólido ou gel) e ocorre uma deformação do mesmo (visual ou não).
Essa força irá resultar em um deslocamento de fluxo de massa do sistema.
A força aplicada (sobre uma área A do material) gera um gradiente de
deslocamento, que também podemos chamar de gradiente de cisalhamento (DC),
que corresponde à variação de velocidade de cisalhamento (dv) em função da altura
molecular (r). Podemos expressar essa relação como:
𝐷𝑐 = 𝑑𝑣𝑑𝑟
A força F, aplicada por unidade de área A, necessária para iniciar o fluxo de massa
é chamada de força de cisalhamento ou tensão de empuxo (t). Nos fluidos
newtonianos, a magnitude do gradiente de cisalhamento (DC ) é proporcional à
tensão de empuxo (t):
𝐷𝑐 ∞ 𝑡
Uma proporcionalidade se converte em uma igualdade pela introdução de um fator
constante (ƞ):
𝐷𝑐ƞ = 𝑡 
Portanto trasformando,
ƞ = 𝑡𝐷𝑐
Sistemas Newtonianos – Efeito da temperatura sobre a viscosidade
Quando um corpo é aquecido, sua viscosidade diminui, aumentando desta forma
sua fluidez. Esta relação é obtida experimentalmente, semelhantemente à equação
de Arrhenius. Desta forma:
ƞ = 𝐴 𝑒 𝑒𝑣𝑅𝑇
Sistemas não-Newtonianos
Neste caso, a viscosidade para estes sistemas não é constante e depende de uma
série de fatores experimentais. Incluem-se neste grupo colóides, emulsões,
suspensões, etc. Dependendo da deformação produzida pelo cisalhamento, os
sistemas não-newtonianos podem ser subdivididos em:
- Sistemas não-Newtonianos: comportamento pseudo-plástico
Analogamente aos sistemas newtonianos, um comportamento pseudo-plástico
mostra um programa cuja curva se inicia na origem onde a menor tensão de
empuxo provocará um deslocamento das camadas moleculares, porém, de forma
não-linear, em qualquer região da curva. Este comportamento é normalmente
encontrado em dispersão de colóides hidrofílicos poliméricos como a metilcelulose,
ácido poliacrílico e gomas naturais.
Figura: Comportamento pseudo-plástico.
Molecularmente, quando as cadeias poliméricas são hidratadas ou solvatadas,
tendem a estruturar-se de acordo com a força de cisalhamento aplicada. Este
comportamento se manifesta como uma diminuição da viscosidade à medida que a
tensão de cisalhamento aumenta.
O cálculo da viscosidade aparente ’ pode ser feito segundo a expressão:ƞ
𝑙𝑜𝑔𝐷𝑐 = 𝑁𝑙𝑜𝑔 𝑡 − 𝑙𝑜𝑔 ƞ'
- Sistemas não-Newtonianos: comportamento plástico
A principal característica de um comportamento plástico é a existência de uma força
mínima necessária para iniciar o processo de deslocamento das camadas
moleculares, podendo ser calculada pela extrapolação à curva (linha tracejada),
esta força é chamada de ponto de cedência (f), onde acima desse valor os sistemas
plásticos possuem um sistema quase linear. Abaixo do ponto de cedência, o sistema
apresenta um comportamento elástico, reversível.
Figura: Comportamento plástico.
A inclinação da reta tracejada é chamada de mobilidade do sistema, e seu inverso é
denominada viscosidade plástica (U):
1 
𝑚 = 𝑢 = 
𝑑𝑡
𝑑𝐷𝑐
- Sistemas não-Newtonianos: comportamento dilatante
Neste caso, um comportamento dilatante se caracteriza pelo aumento da
viscosidade quando a tensão de empuxo é aumentada, devido a um aumento do
volume. Este comportamento é típico de pastas e suspensões contendo um elevado
percentual de sólidos insolúveis suspensos.
Figura: Comportamento dilatante.
A viscosidade de sistemas dilatantes comporta-se como uma variável em toda a
extensão da força de empuxo aplicada. Uma forma de quantificar a mesma é similar
à adotada aos sistemas pseudoplásticos, calculando a viscosidade aparente ( dil): ƞ
Igualmente, valores de N próximos de 1 indicam um comportamento quase
newtoniano e vice-versa.
1.2) Fluxo laminar, Lei de Newton.
Um fluxo laminar é definido como uma condição onde as partículas do fluido se
movem em caminhos suaves em formas de lâminas ou linhas. Um regime de fluxo
não laminar é conhecido como turbulento. Nessas condições o movimentos das
partículas do fluido ocorre de forma aleatória e irregular. Nessas circunstâncias
podem se formar vórtices e redemoinhos dentro do fluido.
Figura: Exemplo de um fluxo laminar (esquerda) e um fluxo turbulento (direita) em torno de uma
esfera.
A Lei de Newton da Viscosidade diz que a relação entre a tensão de cisalhamento
(força de cisalhamento x área) e o gradiente local de velocidade é definida através
de uma relação linear, sendo a constante de proporcionalidade, a viscosidade do
fluido. Assim, todos os fluidos que seguem este comportamento são denominados
fluidos newtonianos.
1.3) Coeficiente de viscosidade.
O coeficiente de viscosidade de um líquido pode ser determinado através da
velocidade de vazão do fluído por um tubo capilar. Neste caso, o coeficiente de
viscosidade é dado pela equação de Hagen-Poiseuille.
De modo que p é a pressão hidrostática sobre o líquido (P=ρ.g.h) em N/m2, V é o
volume em m3, do líquido que flui em t segundos através do capilar de raio r e de
comprimento L, em metros.
1.4) Viscosidade de líquidos e gases. O efeito da temperatura.
A viscosidade dos líquidos vem do atrito interno, isto é, das forças de coesão entre
moléculas relativamente juntas. Desta maneira, enquanto que nos gases a
viscosidade cresce com o aumento da temperatura, nos líquidos ocorre o oposto,
portanto a viscosidade do gás não vem do atrito interno, mas da transferência de
momentum (quantidade de movimento) entre camadas adjacentes que se movem
com velocidade relativa não nula. As moléculas que cruzam a fronteira entre as
camadas partindo da camada que se move mais rapidamente transfere uma
quantidade de movimento maior à camada que se move menos rapidamente do que
a quantidade de movimento que as moléculas desta camada transferem àquela ao
cruzarem, por sua vez, a fronteira entre as camadas. Assim, a velocidade da
camada mais rápida tende a diminuir e a velocidade da camada mais lenta, a
aumentar, de modo que a velocidade relativa tende a diminuir.
Nos líquidos e nos gases, as moléculas estão em movimento contínuo e
desordenado, sendo tanto a energia cinética média quanto a fração de moléculas
com dado valor de energia cinética as mesmas nas duas fases, à mesma
temperatura. Num líquido, porém, as moléculas estão muito mais próximas umas
das outras, em média, do que nos gases, e as forças intermoleculares são muito
mais efetivas, de modo que a energia potencial é menor (as forças são atrativas) e o
livre caminho médio, muito menor, do que os correspondentes para as moléculas de
fase gasosa
A temperatura tem um efeito importante na viscosidade – tanto que as medições
desta qualidade para fluidos são sempre dadas com temperaturas.
Noslíquidos, diminui com a temperatura, como pode ser visto se o xarope ou mel é
aquecido. Isso ocorre porque as moléculas estão se movendo mais e, portanto,
passam menos tempo em contato um com o outro. Em contraste, a resistência ao
movimento em gases aumenta com a temperatura. Isso ocorre porque, como as
moléculas se movem mais rápido, há mais colisões entre eles, o que reduz a
capacidade de fluxo. A viscosidade da água a 100 °C é apenas 1/6 do valor a 0 °C,
o que significa que a mesma quantidade de água escoa 6 vezes mais rápido pelo
mesmo tubo na temperatura elevada. A 20ºC e 1atm a viscosidade da água é 1,0
n/cP.
1.5) Métodos usando a vazão do fluido através de um capilar (lei de Poiseuille).
Ex. viscosímetro de Ostwald.
A medida da vazão de um fluido através de um tubo ao ser aplicada uma pressão é
a forma mais utilizada de estudar a reometria (técnica experimental para medir
relação entre tensão e taxa de cisalhamento), este tubo possui um diâmetro muito
pequeno por isso é chamado de capilar. É utilizado um tubo de pequeno diâmetro,
pois este apresenta pouco aquecimento por dissipação viscosa. Este é um exemplo
de fluxo parcialmente controlável, onde longe da entrada, o fluxo é paralelo às
paredes do tubo, apenas o perfil de velocidades será diferente, dependendo da
natureza reológica do polímero.
Apesar disso, a reometria capilar também possui limitações, pois é necessário que
os materiais à serem medidos no reômetro possuam uma taxa de cisalhamento
considerável. Na medida de um fluido próximo às característica de um fluido
Newtoniano, recomenda-se a utilização de outro método, porém como está sendo
estudado o comportamento de polímeros que possuem grande taxa de
cisalhamento, este método se torna muito eficiente. Outros problemas apresentados
no uso deste método são: o aquecimento viscoso, dependência da viscosidade à
pressão, os efeitos na entrada do capilar e outras instabilidades de fluxo.
A viscosidade de um líquido em relação a outro, chamada de viscosidade relativa,
pode ser facilmente determinada utilizando um viscosímetro de Ostwald, como
mostrado na figura abaixo:
Figura: Viscosímetro de Ostwald.
Neste caso, é medido o tempo que o nível do líquido leva para cair da marca A até a
marca B, quando este escoa pelo tubo capilar. A seguir, o viscosímetro é preenchido
com um líquido de viscosidade conhecida, usando-se o mesmo volume de líquido
que na medida anterior, e medindo o tempo novamente. A pressão responsável pelo
movimento do fluido é dada pela ação da gravidade atuando no peso do líquido.
1.6) Métodos usando uma esfera caindo no fluido (lei de Stokes). Ex.
viscosímetro de Hoppler.
Quando um corpo se movimenta no interior de um fluido existem também forças de
atrito entre eles que tendem a reduzir a velocidade do corpo. Esta resistência
depende da velocidade relativa entre o corpo e o fluido de forma que para
velocidades relativas baixas (condição associada ao regime de resistência de
viscosidade ou regime de Stokes) a resistência do fluido é proporcional à
viscosidade do fluido e à velocidade relativa.
Se uma esfera de densidade maior que a de um líquido for solta na superfície do
mesmo, no instante inicial a velocidade é zero, mas a força resultante acelera a
esfera de forma que sua velocidade vai aumentando.
Para líquidos muito viscosos, em geral, emprega-se preferencialmente o método
baseado na velocidade com que uma esfera, de raio e densidade conhecidos, desce
em um cilindro contendo o líquido de viscosidade desconhecida. Nesse caso, a
viscosidade é determinada utilizando a Lei de Stokes, segundo a qual a velocidade
com que a esfera cai em um tubo contendo o líquido é inversamente proporcional à
viscosidade do líquido.
1.7) Viscosímetro de Hoppler (de bolas).
O viscosímetro de Hoppler se baseia na Lei de Stokes. Neste viscosímetro, o líquido
permanece estacionário em um tubo vertical de vidro e uma esfera de tamanho e
densidade conhecidos é deixada descer por um líquido. Quando a esfera é
escolhida corretamente, ela atinge a velocidade terminal, que pode ser medida
através do tempo que leva para passar por duas marcas no tubo.
Conhecendo-se a velocidade terminal, tamanho e densidade da esfera, e a
densidade do líquido, a Lei de Stokes pode ser utilizada para calcular a viscosidade
https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Stokes
https://pt.wikipedia.org/wiki/Esfera
https://pt.wikipedia.org/wiki/Velocidade_terminal
do fluido. Uma série de esferas de aço de diferentes diâmetros são normalmente
utilizadas para melhorar a acurácia do cálculo em experimentos clássicos. A técnica
é utilizada industrialmente para checar a viscosidade de fluidos utilizados nos
processos, tais como diversos tipos de óleos e polímeros líquidos.
Figura: Viscosímetro de Hoppler.
1.8) Energia de ativação viscosa e comparação com a entalpia de vaporização.
A energia de ativação de fluxo viscoso ( Ea ), é uma grandeza que indica a
sensibilidade da viscosidade devido à mudança de temperatura, de maneira que,
quanto maior for a energia de ativação de fluxo viscoso, maior será a influência da
temperatura. Ou seja, altos valores da energia de ativação de fluxo viscoso indicam
uma mudança mais rápida na viscosidade com a temperatura.
Entalpia de vaporização é a energia necessária para vaporizar uma certa amostra
numa temperatura constante (expressa em energia por mol). Essa energia
necessária para vaporizar uma substância é diretamente proporcional à sua massa:
Evap = m.∆hvap.
∆hvap. = Evap / m
Sendo:
Evap: Energia recebida da fusão de uma substância (J)
m: Massa do sistema (kg)
∆hvap: característica designada por variação de entalpia de vaporização (J Kg -1)
1.9) Propriedades da água, noxano e etanol.
A água é capaz de dissolver substâncias no estado líquido, sólido e gasoso, sendo
essa característica uma consequência de sua polaridade, que permite que suas
moléculas hidratem íons e outras moléculas também polares. Dentre as principais
substâncias dissolvidas pela água, destacam-se os ácidos e os sólidos iônicos.
A água é a única substância que apresenta uma densidade maior quando se
encontra no seu estado líquido. O seu valor máximo obtém-se a 4 ºC. Esta
particularidade da água pura deve-se às ligações de hidrogênio existentes entre as
suas moléculas, que na fase sólida (gelo) formam uma estrutura ordenada, aberta e
https://pt.wikipedia.org/wiki/Pol%C3%ADmeros
muito estável. Com baixas temperaturas, a água, na fase líquida, apresenta uma
densidade mais alta que na fase sólida.
A capacidade térmica é definida pela quantidade de calor necessária para elevar a
temperatura de 1g (grama) de uma determinada substância, e a unidade de medida
utilizada é a caloria. A capacidade térmica da água é bem elevada (1 cal/ºC),
quando comparada com a maioria das substâncias conhecidas (< 1 cal/ºC). Em
outras palavras, a água é capaz de adquirir ou perder muito mais calor que outras
substâncias comuns, quando submetida à mesma temperatura. Esta propriedade da
água é sempre relacionada com a presença das pontes de hidrogênio. A energia
térmica, considerada como medida de movimentação molecular, é utilizada para
quebrar as ligações intermoleculares, permitindo que as moléculas se movam mais
rapidamente, fato que resulta mudança de estado físico das substâncias.
1.10) Viscosidade da água a 20,0 ºC
A viscosidade pode ser analisada a partir de dois parâmetros, viscosidade dinâmica
(η) e viscosidade absoluta (ν).
Viscosidade dinâmica é dada em termos da força requerida para mover uma
unidade de área a uma unidade de distância, à 20°C, a viscosidade dinâmica da
água é 1,002 mPa.s.
E a viscosidade absoluta é a relação entre viscosidade dinâmica (µ) pela densidade
(ρ). ν = η/ρ, a viscosidade cinemática da água à 20°C é de 1,004 mm²/s.
2. OBJETIVO
Determinar a viscosidade e a energia de ativação viscosa de alguns líquidos através
do viscosímetro de Hoppler.
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
- Ajustar o banho na temperatura de 20,0 oC. Limpar o cilindro central do
viscosímetro com álcool, secando-o a seguir com algodão(não deixe resíduos
deste) ou lavando-o com o próprio líquido a ser trabalhado. Cuidado para não soltar
o sistema da base ou soltar as mangueiras.
- Verificar se as especificações do viscosímetro coincidem com as da caixinha das
esferas e da tabela de constantes. Encher o cilindro central com o líquido cuja
viscosidade se deseja medir (antes lave o cilindro com pequenas porções do
líquido). Utilize-se do bastão de vidro. Cuidado ao girar o cilindro devido à
possibilidade de quebra e/ou escape das conexões (mangueiras). Colocar a esfera
adequada (no.1 de vidro, de diâmetro maior) e fechar sem deixar bolhas (use o
bastão de vidro).
- Esperar que a temperatura fique constante para iniciar as medidas. Nivelar o
aparelho. Não pode haver bolhas, do lado de baixo da esfera, quando a mesma
estiver em movimento.
- Cronometrar o tempo de queda da esfera entre os dois traços de referência, que
estão separados pela distância de 10,0 cm. Respeite a posição correta do
viscosímetro.
- Medir este tempo de 02 a 03 vezes.
- Fazer medidas com dois líquidos (etanol e/ou n-hexano) em 4 temperaturas (ou
mais), por exemplo: 20, 25, 32 e 38 oC. Inicie, porém, medindo a viscosidade da
água a 20,0 oC.
- Determinar a densidade dos líquidos nas temperaturas acima, através de balão
volumétrico (tarado) e balança analítica. Deixe o líquido (em excesso) no balão
dentro do
banho e quando atingido o equilíbrio térmico, ajuste, com pipeta Pasteur, o menisco.
Supor que o volume do balão permanece constante.
- Através do conhecimento da viscosidade da água a 20,0 oC, determinar a
constante da esfera e comparar com a do fabricante.
- Calcule a viscosidade dos líquidos em centipoise. Comparar com dados de
literatura.
- Determinar graficamente a energia de ativação viscosa para cada uma das
amostras
(unidades S.I.). Comparar e discutir, inclusive as fontes de erro.
- Caso seja possível, cada equipe irá trabalhar com dois viscosímetros
simultaneamente.
4. PROPRIEDADES DOS COMPOSTOS
4.1 Água
Densidade: 997 kg/m³
Fórmula: H2O
Ponto de ebulição: 100 °C
Massa molar: 18,01528 g/mol
Ponto de fusão: 0°C
4.2 n-Hexano
Fórmula: C6H14
Ponto de ebulição: 69°C
Densidade: 655 kg/m³
Massa molar: 86,18 g/mol
4.3 Etanol
Ponto de Ebulição: 78,4ºC
Ponto de fusão: -114,5ºC
Pressão de vapor: 0,060 kgf/cm2 (20 ºC)
Densidade de vapor: 1,59
Densidade: 0,806 – 0,810 g/cm3
Solubilidade: solúvel em água
https://www.google.com/search?q=%C3%A1gua+densidade&stick=H4sIAAAAAAAAAOPgE-LQz9U3sDC2SNNSz0620k_OSM3NLC4pqoSwkhNz4pPzcwvyS_NSrFJS84ozSyoXsfIfXphemqgA5qckpqQCAJxoEHNHAAAA&sa=X&ved=2ahUKEwjl1cibv-vvAhXJDbkGHbCRA8YQ6BMoADAwegQIQxAC
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5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[2]https://www.iq.unesp.br/Home/Departamentos/FisicoQuimica/gustavotroiano/prati
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[3]https://www.flottweg.com/pt/wiki/tecnologia-de-separacao/viscosidade-dinamica/#:
~:text=A%20 viscosidade%20
din%C3%A2mica%20%CE%B7%20%CE%B7,(fluidez)%20 ser%C3%A1% 20%20
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[4]https://www.portalsaofrancisco.com.br/fisica/viscosidade#:~:text=Como%20regra
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[5]https://mundoeducacao.uol.com.br/biologia/a-agua-como-solvente.htm#:~:text=A
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